Вид обрабатываемого сигнала

Википедия

Микросхема это:

ТолкованиеПеревод

·

·

·

·

·

·

·

·

Микросхема

Современные интегральныемикросхемы, предназначенные дляповерхностного монтажа.

Советские и зарубежныецифровые микросхемы.

Интегра́льная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро) схе́ма (ИС, ИМС, м/сх), чип, микрочи́п (англ. chip — щепка, обломок, фишка) — микроэлектронное устройство — электроннаясхема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённаяв неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку сэлектронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чипкомпоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличие от компонентов длятрадиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в видумикросхему для поверхностного монтажа. В настоящий момент (2009 год) большая часть микросхемизготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Содержание · 1 История · 2 Уровни проектирования · 3 Классификация · 3.1 Степень интеграции · 3.2 Технология изготовления · 3.3 Вид обрабатываемого сигнала · 4 Технологии изготовления · 4.1 Типы логики · 4.2 Технологический процесс · 4.3 Контроль качества · 5 Назначение · 5.1 Аналоговые схемы · 5.2 Цифровые схемы · 5.3 Аналогово-цифровые схемы · 6 Серии микросхем · 6.1 Корпуса микросхем · 6.2 Специфические названия микросхем · 7 См. также · 8 Литература

История

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффектеплохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, чтов месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярныесвойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов иинтегральных микросхем.

В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модельинтегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, былодним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоихобъединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробоватьих объединить на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала. Только Килбивоспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получилипатенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирнымдоговором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году FairchildSemiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать впроизводстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительноуменьшить размер и увеличить производительность.

Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническоминституте, в лаборатории Л. Н. Колесова.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основепланарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ "Пульсар") коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественнойкремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкойсерии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложноститриггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы ипроизводственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонномузаказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработкавключала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организациейопытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоениезаводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).[1]

Уровни проектирования

• Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон накристалле.
• Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).
• Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).
• Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехническая схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).
• Топологический — топологические фотошаблоны для производства.
• Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) — команды ассемблера дляпрограммиста.

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которыепозволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указаноколичество элементов для цифровых схем):

• Малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле.
• Средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле.
• Большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле.
• Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле.
• Ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле.
• Гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле.

В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоровPentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

Технология изготовления

• Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одномполупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).
• Плёночная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

· толстоплёночная интегральная схема;

· тонкоплёночная интегральная схема.

• Гибридная микросхема — кроме полупроводникового кристала содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

Вид обрабатываемого сигнала

• Аналоговые
• Цифровые
• Аналого-цифровые

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции вдиапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль илилогическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, длямикросхем ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, адиапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании −5,2 В:логическая единица — это −0,8…−1,03 В, а логический ноль — это −1,6…−1,75 В.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. Помере развития технологий получают всё большее распространение.

Технологии изготовления

Типы логики

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница втехнологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко вописании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общуюхарактеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологиибиполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

• Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока):

· МОП-логика (металл-окисел-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторовn-МОП или p-МОП типа;

· КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из парывзаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).

• Микросхемы на биполярных транзисторах:

· РТЛ — резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

· ДТЛ — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

· ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов смногоэмиттерными транзисторами на входе;

· ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки — усовершенствованная ТТЛ, в которойиспользуются биполярные транзисторы с эффектом Шотки.

· ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие.

· ИИЛ — интегрально-инжекционная логика.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распротранёнными логиками микросхем. Где небходимоэкономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономияпотребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем являетсяуязвимость от статического электричества — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и еёцелостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрамсближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 — сделана по технологии КМОП, афункциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но наиболееэнергопотребляющими и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когдаважнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106хизготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

 

Технологический процесс

При изготовлении микросхем используется фотопроцесс, при этом схему формируют на подложке, обычно издиоксида кремния, полученной термическим оксидированием кремния. Ввиду малости размера элементовмикросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолета при засветке давно отказались. В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают ширину полосыфотоповторителя и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости c рядом других производственных возможностей: чистотойполучаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами вытравливания и напыления.

В 70-х годах ширина полосы составляла 2-8 мкм, в 80-х была улучшена до 0,5-2 мкм. Некоторыеэкспериментальные образцы рентгеновского диапазона обеспечивали 0,18 мкм.

В 90-х годах из-за нового витка «войны платформ» экспериментальные методы стали внедряться впроизводство и быстро совершенствоваться. В начале 90-х процессоры (например ранние Pentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм. Потом их уровень поднялся до 0,25-0,35 мкм. Следующиепроцессоры (Pentium 2, K6-2+,

В конце 90-х фирма Texas Instruments создала новую ультрафиолетовую технологию с шириной полосыоколо 0,08 мкм. Но достичь её в массовом производстве не удавалось вплоть до недавнего времени. Онапостепенно продвигалась к нынешнему уровню, совершенствуя второстепенные детали. По обычнойтехнологии удалось обеспечить уровень производства вплоть до 0,09 мкм.

Новые процессоры (сперва это был Core 2 Duo) делают по новой УФ-технологии 0,045 мкм. Есть и другиемикросхемы давно достигшие и превысившие данный уровень (в частности видеопроцессоры и flash-памятьфирмы Samsung — 0,040 мкм). Тем не менее дальнейшее развитие технологии вызывает всё большетрудностей. Обещания фирмы 2006 году так и не сбылись.

Сейчас альянс ведущих разработчиков и производителей микросхем работает над тех. процессом 0,032 мкм.

Контроль качества

Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры.

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть доцелого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

• Операционные усилители
• Генераторы сигналов
• Фильтры (в том числе на пьезоэффекте)
• Аналоговые умножители
• Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители
• Стабилизаторы источников питания
• Микросхемы управления импульсных блоков питания
• Преобразователи сигналов
• Схемы синхронизации
• Различные датчики (температуры и др.)

Цифровые схемы

• Логические элементы
• Триггеры
• Счётчики
• Регистры
• Буферные преобразователи
• Модули памяти
• Шифраторы
• Дешифраторы
• Микроконтроллеры
• (Микро)процессоры (в том числе ЦПУ в компьютере)
• Однокристальные микрокомпьютеры
• ПЛИС - программируемые логические интегральные схемы

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

• Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсныхэлектрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронныхустройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — чтосоответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нетпадения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, вотличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся впромежуточном (резистивном) состоянии.
• Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого(например 2,5 — 5 В) и низкого (0 — 0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокийуровень воспринимается как низкий и наоборот, что мало вероятно. Кроме того, в цифровых устройствахвозможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.
• Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимыхизменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологииразбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.